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Diese
Erfindung betrifft einen Befestigungsaufbau für einen Radträger eines
Kraftfahrzeugs, der dazu vorgesehen ist, um den Radträger mit
einem Strukturelement der Aufhängung
des Rads zu verbinden, wie dies im Oberbegriff von Anspruch 1 angeführt ist.
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Ein
derartiger Befestigungsaufbau ist aus
JP 01 190511 bekannt.
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Um
die nun folgende Beschreibung kurz zu halten, wird die Erfindung
im Zusammenhang mit ihrer Anwendung auf die Befestigung des Radträgers eines
nicht gelenkten Rads gezeigt. Diese Anwendung ist jedoch nicht so
ausgelegt, dass sie den Schutzbereich des Patents einschränkt, da
für Fachleute
klar ersichtlich ist, dass der Aufbau der Erfindung auch für ein gelenktes
Rad geeignet ist.
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Jedes
der nicht gelenkten Räder
eines Kraftfahrzeugs ist in einem zapfenförmigen Element drehbar gelagert,
das als Achszapfen bekannt ist, der direkt an einem Element der
Aufhängung
dieses Rads angebracht sein kann, beispielsweise an einem Längslenker,
der mit einem Drehstab in einem starren Aufhängungssystem verbunden ist,
oder an einem Strebenelement, das seinerseits in zumindest einem
Element der Aufhängung
gelenkig gelagert ist, in einem unabhängigen Aufhängungssystem beispielsweise
in einem Paar von Querlenkern.
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Wegen
seines einfachen Aufbaus wird das starre Aufhängungssystem am meisten für die Aufhängung der
Hinterräder
verwendet, wobei ein querliegender Drehstab an seinen seitlichen
Enden mit einem Paar von Längslenkern
verbunden ist, jeder für ein
entsprechendes Rad. Diese Längslenker
sind an ihren Vorderenden im Fahrzeugaufbau gelenkig gelagert, wobei
sie mit entsprechenden Achszapfen, die die Räder tragen, verbunden sind, üblicherweise verschweißt. Eine
derartige starre Befestigung des Radträgers an einem Strukturelement
der Aufhängung
(hier an einem Längslenker)
verursacht, dass eine Auslenkung des Radträgers unter einer Belastung,
die während
einer Kurvenfahrt von den Seitenkräften sowie von jenen Längskräften aufgebracht wird,
die während
einer Bremsung oder im Falle eines Aufpralls wirken, nur durch die
Nachgiebigkeit der Buchsen für
die gelenkige Befestigung des Aufhängungselements am Fahrzeugaufbau
gesteuert werden kann. Wenn einfache Aufhängungsanordnungen, wie beispielsweise
das oben erwähnte
starre Aufhängungssystem,
verwendet werden, kann der unvermeidbare Konflikt zwischen den Anforderungen für eine Flexibilität in Längsrichtung
einerseits und einer Steifigkeit des Aufhängungssystems in Querrichtung
andererseits nicht zufriedenstellend gelöst werden, da die alleinige
Verbindung des Aufhängungssystems
mit dem Fahrzeugaufbau über
zwei Buchsen nicht das gewünschte
Verhalten liefert.
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Auch
unabhängige
Aufhängungssysteme, die
in ihrer einfachsten Ausführungsform
ein oder zwei Querarme besitzen, in denen die Strebe und ihr Achszapfen,
der das Rad trägt,
gelenkig gelagert sind, ermöglichen
keine zufriedenstellende Steuerung des elastischen Verhaltens der
Aufhängung
in Abhängigkeit
von Kräften,
die auf den Radträger
einwirken, wenn nicht kompliziertere und teurere Anordnungen eingeführt werden,
wie beispielsweise Multilink-Systeme, bei denen eine Anzahl von
Stäben
die Strebe des Radträgers
mit dem Fahrzeugaufbau verbindet.
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache
und preisgünstige
Anordnung zu liefern, um die elastokinematischen Kenndaten einer
Aufhängung
für das
Rad eines Kraftfahrzeugs zu verbessern.
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Dieser
Gegenstand wird gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Hilfe eines Befestigungsaufbaus erreicht, wie er im
Hauptanspruch 1 festgelegt ist, um den Radträger für das Rad
eines Kraftfahrzeugs mit einem Strukturelement der Aufhängung dieses
Rads zu verbinden. Bevorzugte Ausführungsformen des Aufbaus der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
festgelegt.
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Kurz
gesagt: die Erfindung beruht auf der Idee, dass eine flexible Verbindung
zwischen dem Radträger
und einem Strukturelement der Aufhängung, beispielsweise dem Längslenker
einer Drehstabachse oder einem Querlenker, über einen Aufbau geliefert
wird, der zumindest einen strukturellen Freiheitsgrad um eine Scherachse
liefert, deren Ausrichtung im Stadium der Konstruktion in Abhängigkeit von
den gewünschten
Betriebsbedingungen festgelegt werden kann. Mit Hilfe einer derartigen
flexiblen Verbindung neigt der Radträger dazu, sich unter der Einwirkung
jener Kräfte
um die Scherachse zu verschwenken, die auf das Rad wirken, statt
dass diese Kräfte
starr auf das zugeordnete Strukturelement der Aufhängung übertragen
werden.
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Vorzugsweise
enthält
der Befestigungsaufbau ein Paar von geeignet ausgerichteten bandförmigen Elementen,
die an der einen Seite mit einem Plattenteil, der den Achszapfen
für das
Rad trägt,
und auf der gegenüber
liegenden Seite mit dem zugeordneten Strukturelement der Aufhängung verbunden sind.
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Die
Erfindung soll nunmehr ausführlicher
an Hand eines nicht einschränkenden
Beispiels und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben
werden, in denen zeigt:
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1, 2 und 3 Schrägrisse von
entsprechenden bevorzugten Ausführungsformen
eines Befestigungsaufbaus mit einem strukturellen Freiheitsgrad
gemäß der Erfindung,
um den Achszapfen, der das Rad trägt, mit einem Längslenker
eines starren Aufhängungssystems
zu verbinden;
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4 den
Schrägriss
eines sehr ähnlichen Befestigungsaufbaus
mit zwei strukturellen Freiheitsgraden, der keinen Teil der Erfindung
darstellt, wie sie beansprucht wird, um den Achszapfen, der das
Rad trägt,
mit einem Längslenker
eines starren Aufhängungssystems
zu verbinden; und
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5A, 5B und 5C den
Schrägriss,
den Grundriss bzw. die Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines Befestigungsaufbaus mit einem strukturellen Freiheitsgrad
gemäß der Erfindung,
um den Achszapfen, der das Rad trägt, mit einem Paar von Querlenkern
eines unabhängigen
Aufhängungssystems
zu verbinden.
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In
der Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen sind Ausdrücke wie "in Längsrichtung" und "in Querrichtung", "innen" und "außen", "vorne" und "hinten" so zu verstehen,
dass sie sich auf den am Fahrzeug montierten Zustand beziehen.
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Zuerst
soll auf 1 Bezug genommen werden. Ein Befestigungsaufbau,
um den Achszapfen 11, der das Rad trägt, mit einem Arm 12 der
Aufhängung
für dieses
Rad zu verbinden, beispielsweise etwa mit einem Längslenker,
der in einem starren Aufhängungssystem
an einem Ende eines Drehstabs befestigt ist, trägt allgemein die Bezugsziffer 10.
Der Aufbau 10 enthält
grundsätzlich
einen Teil 13, der den Achszapfen 11 hält und der
eine vertikale Wand in Längsrichtung
bildet, auf deren Außenfläche der Achszapfen
angebracht ist, sowie ein Paar von flexiblen Elementen 14,
um eine Verbindung zwischen dem Teil 13 und dem Aufhängungsarm 12 herzustellen.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform
sind die Elemente 14 gemeinsam mit dem Teil 13 ausgebildet
und an ihren freien Enden mit dem Arm 12 verschweißt.
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Jedes
der Verbindungselemente 14 besteht aus einem geraden Träger, dessen
Querschnitt Trägheitseigenschaften
besitzt, so dass das Element Biegungen in Richtung senkrecht zu
seiner eigenen Längsachse
nachgeben kann. Der Querschnitt kann beispielsweise um eine erste
und eine zweite Achse, die senkrecht zueinander liegen, axial symmetrisch sein,
wobei das Trägheitsmoment
um die erste Achse viel größer als
das Trägheitsmoment
um die zweite Achse ist, wodurch das Element 14 einer Biegung um
diese zweite Achse nachgeben kann. Wie die Fig. zeigen, sind die
Elemente 14 vorzugsweise als Bänder mit einem dünnen, rechteckigen
Querschnitt ausgebildet, so dass sie in die Richtung senkrecht zur Mittelebene
des Querschnitts flexibel sind.
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Durch
diese inhärente
Flexibilität
der Verbindungselemente 14 wirkt der Aufbau 10 nicht
als starrer Körper,
sondern er liefert einen "strukturellen" Freiheitsgrad um
eine Achse T, oder eine Scherachse, da er ein bestimmtes Maß einer
Torsionsverformung um diese Achse als Ergebnis jener Belastungen
zulässt,
die vom Rad übertragen
werden. Die Achse T kann etwa als Schnittlinie der Ebenen ausgelegt
sein, die durch die Längsachse
und die Biegeachse von beiden Elementen 14 verlaufen. Bei
Elementen mit einem dünnen,
rechteckigen Querschnitt erhält
man daher die Achse T dadurch, dass man die Mittelebenen dieser
Elemente schneidet.
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Der
Freiheitsgrad um die Scherachse T wurde oben als "struktureller" Freiheitsgrad bezeichnet, da
er nicht von einer geometrischen Einschränkung (wie dies im Gegensatz
dazu bei einem kinematischen Freiheitsgrad der Fall ist) sondern
von den Kenndaten der Flexibilität
des Aufbaus festgelegt wird. Die Ausrichtung der Achse T und die
Steifigkeit des Aufbaus in Abhängigkeit
von Torsionsbelastungen um diese Achse hängen von den Trägheitsdaten der
Querschnitte der Elemente 14 ab. Wenn daher die Form und
die Ausrichtung dieser Querschnitte richtig ausgewählt werden,
kann man ein elastisches Verhalten des Aufbaus erreichen, das die
gewünschten
Anforderungen für
den Aufbau erfüllt.
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Im
Besonderen ist es möglich,
dass das gewünschte
Nachgeben der Aufhängung
im Befestigungsaufbau für
den Radträger
konzentriert wird, wobei für
die Gelenksbuchsen (die vorzugsweise aus einem dämpfenden Werkstoff hergestellt
werden) im Wesentlichen nur die einzige Aufgabe verleibt, dass sie
eine Dämpfung
von hohen Frequenzen liefern. Damit wird der herkömmliche
Mangel vermieden, dass die Aufgabe, den oben erwähnten Kompromiss zwischen Komfort
und Handling zu lösen,
gerade den Gelenksbuchsen der Aufhängung zugewiesen wird, wobei
die verschiedenen Betriebsanforderungen besser auf die verschiedenen
Teile des Aufhängungssystems
verteilt werden.
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Bei
der Ausführungsform
von 1 bilden die beiden flexiblen Verbindungselemente 14 eine Scherachse
T, die durch die Drehachse des Rads verläuft und sowohl in einer horizontalen
Ebene als auch in einer vertikalen Längsebene geneigt ist. Im Zusammenhang
mit 1 trägt
der Schnittpunkt zwischen der Achse T und der Oberfläche der
Fahrbahn das Bezugszeichen Q, während
der theoretische Berührungspunkt
zwischen dem Rad (nicht dargestellt) und der Oberfläche der
Fahrbahn mit dem Bezugszeichen P versehen ist.
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Weiters
sind die drei Kräfte,
die auf das Rad wirken, d.h. die Bremskraft, die Zentripetalkraft
und die Kraft eines Aufpralls in Längsrichtung mit den Bezugszeichen
BF, CF bzw. IF versehen. Die Bremskraft BF wird am Berührungspunkt
P aufgebracht und wirkt in Längsrichtung
entgegengesetzt zur Fahrtrichtung DD. Die Zentripetalkraft CF wird
am Berührungspunkt
P aufgebracht und wirkt in Abhängigkeit davon
quer nach innen oder nach außen,
ob sich das Fahrzeug in einer Linkskurve bzw. in einer Rechtskurve
bewegt. Schließlich
wird die Aufprallkraft IF im Mittelpunkt des Rads aufgebracht, wobei
sie in Längsrichtung
entgegengesetzt zur Fahrtrichtung DD wirkt.
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Die
Bremskraft BF und die Aufprallkraft IF wirken gegenüber der
Scherachse T mit einem kurzen Hebelarm, wenn dieser nicht sogar
gleich Null ist, wodurch der Befestigungsaufbau 10 um die
Achse T sehr wenig drehend nachgibt. Damit reagiert der Aufbau 10 auf
diese Kräfte
im Wesentlichen starr. Im Gegensatz dazu wirkt die seitliche Zentripetalkraft
CF mit einem größeren Hebelarm,
wobei sie dann eine beträchtliche
Torsionsverformung des Aufbaus hervorruft. Die Auswirkung dieser
Verformung, die die Vorspur des Rads vergrößert, ist beispielsweise bei einem
starren Aufhängungssystem
von Vorteil, da sie die entgegengesetzte Auswirkung durch die starre Verdrehung
des Drehstabs und des Aufbaus der Längslenker kompensiert, die
durch das Nachgeben der Gelenksbuchsen der Arme ermöglicht wird.
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Bei
der Ausführungsform
von 2 sind die beiden flexiblen Verbindungselemente 14 nicht
direkt am Aufhängungsarm 12 befestigt,
sondern sie werden, beispielsweise mit Hilfe von Nieten 16,
an einer Bodenplatte 15 angebracht, die mit dem Arm 12 verschweißt ist.
Hier ist die Scherachse T vertikal ausgerichtet, wobei sie außerhalb
des Rads im Wesentlichen in derselben Vertikalebene angeordnet ist,
die durch die Drehachse des Rads verläuft. Mit dem selben Gedankengang
wie oben ist ersichtlich, dass diese zweite Ausführungsform im Hinblick auf
die Zentripetalkraft eine höhere
Steifigkeit, aber im Hinblick sowohl auf die Bremskraft als auch
auf die Aufprallkraft eine geringere Steifigkeit liefert, wodurch
eine gute Dämpfung
von holperigen Stellen der Straße
sowie ein gutes Handling in der Kurve sichergestellt werden.
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Eine
dritte Ausführungsform
eines Befestigungsaufbaus gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt 3, in der Teile und Elemente,
die mit Teilen und Elementen von 1 und 2 ident
sind oder diesen entsprechen, mit denselben Bezugsziffern versehen
sind.
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In
diesem Fall sind zwei Paare von flexiblen Verbindungselementen 14 in
Form von vertikalen, dünnen
Platten vorgesehen, die paarweise zur Außenseite des Fahrzeugs zusammenlaufen.
So wie beim Beispiel von 2 sind die flexiblen Elemente 14 an
einer Bodenplatte 15 befestigt, die mit dem Arm 12 verschweißt ist.
Weiters sind die Elemente 14 gemeinsam paarweise an der
Außenseite
mit einem Paar von vertikalen Längswänden 13 verbunden,
an denen der Achszapfen 11 für das Rad angebracht ist. Der
Aufbau ist so ausgelegt, dass er eine Scherachse liefert, die so
wie in 2 ausgerichtet ist, wobei er jedoch die Belastungen
auf die flexiblen Elemente herabsetzt.
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Wie
man sieht, besteht die Idee, auf der die Erfindung beruht, unabhängig von
der Anzahl und der Anordnung der Verbindungselemente darin, einen
flexiblen Befestigungsaufbau zu liefern, der dazu vorgesehen ist,
um ein vorgegebenes drehendes Nachgeben um eine Scherachse mit einer
vorgegebenen Ausrichtung zu liefern.
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Ein
weiterer Befestigungsaufbau mit zwei strukturellen Freiheitsgraden
ist in 4 dargestellt, wobei Teile und Elemente, die mit
Teilen oder Elementen der bisherigen Fig. ident sind oder diesen entsprechen,
mit den selben Bezugszeichen versehen sind.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
ist ein Tragkörper 13,
der mit einem Radträger 11 versehen
ist, an seinem oberen und unteren Teil über ein Paar von im Wesentlichen
koaxialen, zylindrischen Teilen 19 mit entsprechenden Auflagerelementen 18 verbunden,
die an den freien Enden von zwei flexiblen, bandförmigen Elementen 14 befestigt
sind, deren entgegengesetzte Enden mit entsprechenden Halterungsaufbauten 17 verbunden
sind, die auf dem Längsarm 12 der
Aufhängung
sitzen.
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Gemäß dem Beispiel
von 4 verlaufen die beiden Halterungsaufbauten 17 im
Wesentlichen senkrecht zueinander, der eine vertikal nach oben und
der andere in Querrichtung zur Außenseite des Fahrzeugs, wobei
die Bänder 14 so
ausgerichtet sind, dass sie nach unten zusammenlaufen. Mit Hilfe eines
derartigen Aufbaus besitzt der Befestigungsaufbau eine erste Scherachse
T1, die theoretisch von der geometrischen Schnittlinie zwischen
den Mittelebenen der Bänder 14 bestimmt
wird, sowie eine zweite Scherachse T2, die etwa der Achse der beiden
zylindrischen Teile 19 entspricht. Das Nachgeben des Aufbaus
um diese zweite Achse T2 wird durch die niedrige Torsionssteifigkeit
der Bänder 14 sichergestellt.
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Es
ist ersichtlich, dass durch das Vorsehen eines weiteren strukturellen
Freiheitsgrads eine breitere Handlungsfreiheit für den Konstrukteur des Aufhängungssystems
gegeben ist, da es durch eine richtige Einstellung der Ausrichtung
der beiden Scherachsen möglich
ist, einander widersprechenden Betriebsdaten zu genügen, die
andernfalls schwer einander angepasst werden können.
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Schließlich zeigen 5A, 5B und 5C ein
Beispiel der Anwendung der Erfindung auf ein unabhängiges Aufhängungssystem,
bei dem der Achszapfen 11 für das Rad an einem flexiblen Befestigungsaufbau 10 angebracht
ist, der nur einen strukturellen Freiheitsgrad besitzt und in einem
ersten unteren Querarm 12a in einem Paar von Buchsen 21 sowie
in einem zweiten oberen Querarm 12b in einer Buchse 22 gelenkig
gelagert ist.
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Die
Anordnung des Befestigungsaufbaus 10 ist der Anordnung
von 1 ähnlich,
bei der der Achszapfen 11 an einem mittleren Plattenteil 13 angebracht
ist, von dessen entgegengesetzten Enden zwei bandförmige Elemente 14 quer
nach innen verlaufen, wobei die Elemente hier im unteren Arm 12a in
den Buchsen 21 gelenkig gelagert sind. Was die Ausrichtung
der Bänder 14 betrifft,
sind ähnliche
Anmerkungen anzuwenden, wie dies im Zusammenhang, mit der Ausführungsform
von 1 der Fall war. Eine C-förmige Befestigungshalterung 20 verläuft vom
Plattenteil 13 nach oben, um den oberen Arm 12b mit
Hilfe einer Buchse 22 gelenkig zu befestigen.
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Es
ist ersichtlich, dass die höchste
Steifigkeit des Befestigungsaufbaus mit den geometrischen Achsen
der Buchsen 21 erreicht wird, die senkrecht zur Mittelebene
der Bänder 14 angeordnet
sind. Es hindert aber nichts daran, dass die Achsen der Buchsen
im Hinblick auf die Bänder
anders ausgerichtet werden, wie dies bei der Ausführungsform
von 5 dargestellt ist.
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Selbstverständlich bleibt
die Grundlage der Erfindung unverändert, wobei sich Ausführungsformen
und Fertigungsdetails gegenüber
der Beschreibung eines nicht einschränkenden Beispiels und den Zeichnungen
weit verändern
können.